開關(guān)電源功率因素校正(PFC)及原理

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1、郝銘李方建一、什么是功率因素補(bǔ)償，什么是功率因素校正：功率因素補(bǔ)償：在上世紀(jì)五十年代，已經(jīng)針對(duì)因具有感性負(fù)載的交流用電器具的電壓和電流不同相（圖1）而引起的供電效率低下，提出了改進(jìn)方法（由于感性負(fù)載的電流滯后所加電壓，電壓和電流的相位不同，使供電線路的負(fù)擔(dān)加重，導(dǎo)致供電線路效率下降，這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個(gè)電容器，用以調(diào)整該用電器具的電壓、電流相位特性。例如：當(dāng)時(shí)要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個(gè)4.75μF的電容器）。用電容器并聯(lián)在感性負(fù)載的兩端，利用電容上電流超前電壓的特性，用以補(bǔ)償電感上電流滯后電壓的特性，使總的特性接近于阻性，從而改善效

2、率低下的方法叫做功率因素補(bǔ)償（交流電的功率因素可以用電源電壓與負(fù)載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cosφ表示）。圖1在具有感性負(fù)載中供電線路中電壓和電流的波形從上世紀(jì)80年代起，用電器具大量采用效率高的開關(guān)電源，由于開關(guān)電源都是在整流后，用一個(gè)大容量的濾波電容使該用電器具的負(fù)載特性呈現(xiàn)容性，這就造成了交流220V在對(duì)該用電器具供電時(shí)，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓上出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值（紋波峰值）相差并不多；根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在AC線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因

3、正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)導(dǎo)通；雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖2所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因素嚴(yán)重下降。在正半個(gè)周期內(nèi)（180o），整流二極管的導(dǎo)通角大大小于180o，甚至只有30o～70o；由于要保證負(fù)載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角期間，會(huì)產(chǎn)生極大的導(dǎo)通電流，使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài)。它不僅降低了供電的效率，更為嚴(yán)重的是，它在供電線路容

4、量不足或電路負(fù)載較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交流電壓波形畸變（圖3），并產(chǎn)生多次諧波，從而干擾了其它用電器具的正常工作（這就是電磁干擾－EMI和電磁兼容－EMC問題）。圖2全波整流電壓和AC輸入電流波形自從用電器具從過去的感性負(fù)載（早期電視機(jī)、收音機(jī)等的電源均是采用電源變壓器的感性器件）變成帶整流及濾波電容器的容性負(fù)載后，其功率因素補(bǔ)償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的問題，更為嚴(yán)重的是要解決因供電電流呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題。這就是在上世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)（其背景源于開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用），其主要目的是解

5、決因容性負(fù)載導(dǎo)致電流波形嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題，所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完全不同于過去的功率因素補(bǔ)償技術(shù)，它是針對(duì)非正弦電流波形畸變而采取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時(shí)變化軌跡，并使電流和電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性的技術(shù)（線路電流波形校正技術(shù)），這就是PFC（功率因素校正）。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)既完成了電流波形的校正，也解決了電壓、電流的同相問題。圖3正常供電電壓波形和接入容性負(fù)載后電壓波形畸變由于以上原因，要求用電功率大于85W以上（有的資料顯示大于75W）的容性負(fù)載用電器具，必須增加校正其負(fù)載特性的校正電路

6、，使其負(fù)載特性接近于阻性（電壓和電流波形同相且波形相近），這就是現(xiàn)代的功率因素校正（PFC）電路。二、怎樣進(jìn)行功率因素校正：1、功率因素校正：（PFC）我們目前使用的電視機(jī)，由于采用了高效的開關(guān)電源，而開關(guān)電源內(nèi)部電源輸入部分，無一例外的采用了二極管全波整流及濾波電路，如圖4A所示，其電壓和電流波形如圖4B所示。AB圖4全橋整流濾波電路及電壓和電流波形圖為了抑制電流波形的畸變及提高功率因素，現(xiàn)代的功率較大（大于85W）具有開關(guān)電源（容性負(fù)載）的用電器具，必須采用PFC措施，PFC分為有源PFC和無源PFC兩種方式。2、無源PFC電路：不使用晶體管等有源器

7、件組成的校正電路，一般由二極管、電阻、電容和電感等無源器件組成。目前國(guó)內(nèi)電視機(jī)生產(chǎn)廠對(duì)過去設(shè)計(jì)的功率較大的電視機(jī)，在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感（適當(dāng)選取電感量），利用電感上電流不能突變的特性來平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動(dòng)，改善供電線路電流波形的畸變，并且利用電感上電壓超前電流的特性也補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因素、電磁兼容和電磁干擾得以改善，如圖5所示。圖5無源PFC電路此種方式還不能稱為真正的無源PFC電路，只是一種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償措施，可以應(yīng)用在前期設(shè)計(jì)的無PFC功能的設(shè)備上，簡(jiǎn)單的增加一個(gè)合適的電感（適當(dāng)選取L和C的值），從而達(dá)到具有抑制電

8、流瞬時(shí)突變的目的；但是這種簡(jiǎn)單的、低成本的補(bǔ)救方法，輸出紋波較大，濾波電容兩端的